烏山銅鉬礦WebGIS系統的建立與應用*

劉 偉 牛 鵬 劉 洋 張鵬海 楊天鴻3

（1.中國黃金集團內蒙古礦業有限公司；2.東北大學資源與土木工程學院）

地理信息系統（Geographic Information System）簡稱GIS，是依托計算機軟硬件對空間數據和信息進行科學管理和分析，從而實現對海量空間地理信息和數據進行三維展示、規劃以及管理的計算機技術系統［1］。而WebGIS技術是通過互聯網對地理空間數據進行發布和應用，是互聯網技術與GIS技術相結合的產物。

在礦業領域，GIS是數字礦山的基礎，WebGIS基于礦山物聯網以實現更為先進的感知礦山和智能采礦，是實現礦山數字化、信息化以及自動化的基礎［2-3］。謝衛標［4］針對不同GIS系統間由通訊方法差異造成空間信息共享性較差的問題，開展了基于WebGIS的礦山空間信息互操作的研究，并以洛陽欒川鉬礦為例，實現了Mapinfo和ArcGIS之間的互操作。王緒本等［5］針對目前煤礦災害監測和預警系統存在的信息反饋滯后問題，提出了在互聯網覆蓋的情況下，結合RFID、GIS兩項技術，實現動態監測與靜態管理相融合的井下災害預警和救助體系的構建。謝旭陽［6］利用GIS技術作為礦井安全信息的管理手段，構建了礦井應急輔助決策支持系統。程林等［7］利用GPS實時定位功能以及GIS電子地圖實時更新卡車位置功能，實現了露天礦車在互聯網環境下基于電子地圖的可視化導航與監控，并利用關系型數據庫建立了人員、生產調度管理系統，保障了礦山卡車有效調度。

WebGIS在礦業領域工程應用中發揮著越來越重要的作用，但仍有一些問題需要解決：①側重于“單層”表達，要么只表達地表模型，要么只構建地下地質體模型，缺少基于“地下—地表—地上”的真三維可視化構建；②目前礦業方面更多的是聚焦于GIS二維地圖與礦山的結合，三維GIS研究相對較少，另外結合三維空間數據進行空間分析也是亟待解決的問題。結合以上問題，本項目根據烏山銅鉬礦的實際情況，建立一個包含工程地質分區及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態剖面分析及云端訪問功能的WebGIS系統。

1 軟件簡介及系統架構

SuperMap軟件具備二、三維一體化的數據管理、處理、制圖、分析及標繪等功能，支持在線地圖服務訪問及云端資源系統共享，可用于空間數據的生產、加工、分析和行業應用系統快速定制開發。該軟件的大規模數據快速加載與顯示功能特別適合于礦山精細化三維地質模型的云端顯示。

烏山露天礦使用SuperMap來支持三維地理信息模型展示及云端訪問，烏山銅鉬礦WebGIS系統中礦山開采現狀、巖性、斷層、工程分區以及邊坡表面積、坡度、高度的測量等功能均通過該軟件實現（圖1）。

2 礦山簡介及三維地質建模

2.1 烏山銅鉬礦概況

烏山銅鉬礦地處內蒙古呼倫貝爾地區新巴爾虎右旗境內，距滿洲里市區24 km，是一座大型斑巖型銅鉬礦床，構成邊坡工程地質巖組的主要為黑云母花崗巖、次流紋質晶屑凝灰熔巖、次斜長花崗斑巖、次英安質角礫熔巖及部分花崗（斑）巖及閃長玢。

烏山銅鉬礦銅資源儲量267萬t，鉬資源儲量54萬t。烏山銅鉬礦為露天開采，采場東幫邊坡最大標高為858 m，采場設計坑底標高為225～240 m，設計終了邊坡最大高差約為630 m，整體邊坡角為43°～45°，礦山邊坡臺階高度為15 m，并段后臺階高度為30 m，采場目前最低開采水平為630 m。

2.2 三維地質建模

烏山露天礦三維地理信息模型是在多個軟件相互配合使用的情況下建立完成的，主要用到的軟件包括3Dmine、Rino、3Ds max、SuperMap，其中3Dmine、Rino用于礦山地質建模，3Ds max用于貼圖、動畫制作、建筑及工程機械的建模，SuperMap用于對模型添加各種交互功能，比如模型的剖切、屬性信息的查詢等，形成最終的烏山銅鉬礦WebGIS系統。

在3Dmine中基于現狀平面圖、最終境界平面圖以及勘探線剖面圖完成現狀和最終境界的模型建立?，F狀臺階線以現狀平面圖中帶有高程的臺階線為基礎，通過修剪、2點連線、擴展臺階和平臺進行修整簡化。最終境界臺階線完全按照最終境界平面圖中的坡頂線、坡底線進行擴展臺階、平臺以及公路起點設置，并按照固定坡面角、臺階寬度及臺階高度來生成簡化式臺階。接下來依據處理好的臺階線，按照“閉合線內部連接三角網”、“閉合線之間連接三角網”、“開放線之間連接三角網”、“開放線與閉合線之間連接三角網”等方式，生成DTM三角網表面，如圖2所示。

執行以上操作后，將現狀DTM表面選中保存選擇集，選擇dxf格式并導入Rhino三維建模軟件，用現狀DTM露天礦表殼切割長方體，采用Rhino中布爾運算分割命令在長方體上切出礦坑，形成礦坑三維模型。

根據勘探線剖面圖中的巖性分界情況，首先在3Dmine中提取所有剖面的巖性結構線存儲為dxf格式，并導入Rhino，按照結構線擠出封閉曲面和構建巖性體2種方式來切割礦體模型，同時進行三維地質模型的內部巖性添加。至此完成烏山銅鉬礦三維地質模型的構建。烏山銅鉬礦三維地質模型如圖3所示。

在3Dmine、Rhino中完成了模型的建立后，將建好的模型切換到渲染模式進行材質添加、巖性貼圖、軸向更改等調整，最后生成一個帶有貼圖的obj文件，為導入SuperMap做準備。

3 礦山WebGIS系統基礎技術

3.1 坐標轉換

礦山現有的三維建筑模型、地質模型、二維電子圖紙以及多種點、線、面矢量數據都是基于礦山相對坐標系建立，而SuperMap所創建的三維虛擬場景則是基于大地坐標系。要想將礦山中大量的模型及數據整合到同一場景中，首先要對所有基于礦山坐標系的位置數據進行坐標轉換，生成大地坐標系下對應的坐標值。

3.2 模型導入

三維地質模型、周邊建筑物模型以及各種標識牌等三維模型要想導入到SuperMap軟件中，均需要通過Rhino軟件進行建模，導出成obj格式模型之后，才能實現導入到SuperMap中。在導入的同時需要輸入模型坐標中心點所對應的經緯度坐標，選擇坐標系并確定導入模型的工作空間和數據集名稱，導入的時候一定要確保模型所在的工作空間處于關閉狀態。

3.3 數據預處理

由于三維模型的數據量都比較龐大，占用計算機的資源較大，為提高整體應用性能，在使用前需要進行預處理。預處理的本質是將影像、地形或模型數據創建分層緩存。例如，對影像數據通過重采樣方法建立一系列不同分辨率的圖層，每個圖層分割存儲，并建立相應的空間索引機制，從而提高縮放瀏覽影像時的顯示速度。

3.4 網絡發布

SuperMap支持對整個工作空間的網絡發布以及遠程服務。工作空間是用戶的工作環境，存儲了所建立工程項目中的所有數據源、地圖以及場景等的組織關系。大多數情況下，用戶數據是以工作空間形式組織的。

4 烏山銅鉬礦WebGIS系統的建立

烏山銅鉬礦WebGIS系統是基于SuperMap中的Iserver平臺，以Html5、JavaScript、JQuery、CSS等編程語言和函數庫作為B/S構架開發的前端編程語言，以PHP、Ajax等作為后端編程語言，進行開發和實現。本系統構建了5個模塊：工程地質分區及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態剖面分析、云端訪問。

4.1 工程地質分區及信息查詢

工程地質分區是在研究區內按照工程地質條件相近的基本原則進行區域劃分，目的是結合不同區域的工程地質特征進行分區域評價。根據水文地質條件、斷層節理以及破碎帶的工程和地質因素，烏山銅鉬礦露天采場共被分為5個地質特征分區。

當需要查看地質分區及其信息時，可單擊系統界面右下角功能面板復選框，系統會判斷所勾選的復選框內容，以不同的顏色疊加到原有地形上，分別顯示不同的地質分區，單擊不同邊坡分區會自動彈出消息框，消息框中包含了該區域的詳細地質描述，如圖4所示。

4.2 礦山測量

測量功能可以實現距離測量、高度測量、面積測量。其中距離測量可以實現2點之間的距離測量和連續測量；高度測量不僅可以測量2點之間的垂直高度，還可以測量兩點之間的空間高度；面積測量可以測出指定多邊形的空間面積，效果如圖5所示。

4.3 坡度分析

露天礦邊坡角根據所在邊坡的工作性質而有差異，例如工作幫、非工作幫以及清掃平臺的邊坡角存在差距。坡度分析功能是將坡度值區間用一個漸變色表示，本次設計采用紅—黃—藍漸變色表示坡度從0°～90°的過渡，效果如圖6所示。

當需要進行坡度分析時，在功能面板中選擇坡度繪制模式，自定義繪制區域。在場景中圈定出區域后，系統會自動分析繪制區域內的坡度。若選擇繪制模式為全礦模式，則會自動將整個礦區范圍內的坡度展示出來。

4.4 動態剖面分析

烏山銅鉬礦地質條件較為復雜，為了快速、全面地了解該礦的礦巖賦存狀態，開發了一種可通過拉伸面的方法對地質模型進行任意角度剖切以及查看的功能，即動態剖面分析。當要查看某一個剖面處的礦巖賦存狀態時，可在地質模型上繪制一個裁剪盒，通過改變其寬度、高度以及方位，對三維地質模型進行動態剖分，如圖7所示。

4.5 云端訪問

將烏山銅鉬礦WebGIS系統文件上傳至阿里云服務器，文件包括烏山銅鉬礦WebGIS系統涉及的所有網頁代碼、圖片、數據庫、地形數據，然后在阿里云服務器上建立一個網站，就可實現烏山銅鉬礦Web-GIS系統的云端訪問。打開瀏覽器輸入網址后，技術人員可隨時隨地查看礦山信息。

5 結語

基于SuperMap的Iserver平臺，以Html5、JavaS-cript、JQuery、CSS等編程語言和函數庫作為B/S構架開發的前端編程語言，以PHP、Ajax等作為后端編程語言進行開發，建立了烏山銅鉬礦WebGIS系統。系統包含工程地質分區及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態剖面分析、云端訪問5大功能，該系統增強了空間數據的立體表現，便于數據的分析和表達，提升礦山管理效率。